Inledning
Polytetrafluoreten (PTFE) är välkänt från sin dagliga användning som en icke-klibbande beläggning på stekpannor och andra köksredskap. PTFE är mycket reaktivt och har hög kemisk beständighet. På grund av dessa egenskaper används det inte bara inom medicinska tillämpningar utan även inom industrin, t.ex. i behållare och rörledningar för frätande och reaktiva kemikalier. Även delar som lager, bussningar och kugghjul, där glidning behövs, är tillverkade av PTFE.
Termisk karakterisering av ett PTFE-material genomfördes med hjälp av olika tekniker för termisk analys och testning av termofysikaliska egenskaper. Mätningarna utfördes mellan -170°C och 700°C (beroende på metod). Den termiska expansionen och densitetsförändringarna bestämdes med hjälp av tryckstångsdilatometri (DIL, baserat på t.ex. ASTM E831, DIN 51045). Dynamisk mekanisk analys (DMA) användes för att analysera de viskoelastiska egenskaperna (lagrings- och ViskositetsmodulDen komplexa modulen (viskösa komponenten), förlustmodulen eller G'', är den "imaginära" delen av provets totala komplexa modul. Den viskösa komponenten indikerar det vätskeliknande, eller ur fas, svaret hos det prov som mäts. förlustmodul). Den termiska diffusiviteten mättes med laser fl ash-teknik (LFA, baserad på t.ex. ASTM E1461, DIN EN821. Genom att kombinera värmediffusivitetsdata med specifik värme och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet kan polymerens Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga beräknas. Nedbrytningsbeteendet studerades med hjälp av samtidig termisk analys (STA, baserad på t.ex. ASTM E1131, ASTM D3850, DIN 51006, ISO 11357, DIN 51004, DIN 51007, etc.) De utvecklade gaserna analyserades med en masspektrometer (QMS) och Fourier transform infraröd spektroskopi (FT-IR).
PTFE uppvisar flera övergångar över hela temperaturintervallet. Under 19°C erhålls en välordnad triklinisk fas, medan PTFE mellan 19°C och 30°C bildar en delvis ordnad hexagonal fas. Över 30°C och upp till smältpunkten (328°C) uppvisar materialet en pseudo-hexagonal, mycket oordnad fas. Ytterligare övergångar kan hittas vid -115°C och 131°C, vilka kan hänföras till den amorfa fasen [1]. I vissa litteraturkällor (t.ex. [3], [4]) beskrivs fasomvandlingen vid 131°C som en glasövergång.
Polytetraflouroeten = PTFE
- Bättre känd som Teflon®*
- Upptäcktes av Roy Plunkett 1938
- Molekylär formel: CnF2n+2
- Molekylmassa: 100,02 g/mol
- Densitet: 2,2 g/cm³
- Smältpunkt: 327°C
*Teflon® är ett registrerat varumärke som tillhör E.I. DuPont de Nemours and Company.
Den PTFE som analyserades i detta arbete levererades av ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheim.
Testresultat
A) Viskoelastiska egenskaper
Figur 1 visar de bestämda mekaniska egenskaperna E´, E´´ och tanδ. Steget i lagringsmodul vid -131°C kan hänföras till glasövergången i den amorfa fasen. Två solid-solid-övergångar kan ses mellan 20°C och 40°C. Ett annat steg i E´ -kurvan observerades vid 115°C på grund av en fast-vätskeövergång i den amorfa fasen [1], ibland även kallad glasövergång [3], [4].
En 3D-plott av en mätning med flera frekvenser (1, 2, 5 och 10 Hz) visas i figur 2. Man kan se att tanδ ökar med frekvensen vid en given temperatur.
B) Termisk expansion, densitetsförändring
PTFE expanderar med en konstant expansionshastighet mellan -170°C och 20°C (figur 3). Ett hopp i den termiska expansionen upptäcktes vid rumstemperatur på grund av solid-solid-övergången. Ovanför fasövergången ökar den termiska expansionen kontinuerligt med en något ökande expansionshastighet.
Volymexpansionen och densitetsförändringen för PTFE visas i figur 4. Solid-solid-övergången motsvarar en volymförändring på mer än 1%.
C) Termofysikaliska egenskaper
Värmediffusivitet, densitetsförändring och specifik värme
Den termiska diffusiviteten, specifika värmen och densitetsförändringen för PTFE visas i figur 5. Diffusiviteten minskar kontinuerligt med temperaturen; detta förväntas från solidstatefysiken för fononledning. Solid-solid-övergången vid RT kan tydligt identifieras medan de andra övergångarna vid -131°C och vid 115°C inte är synliga.
Figur 6 visar värmeledningsförmågan beräknad med hjälp av värmediffusivitet, specifik värme och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet. I lågtemperaturområdet är värmeledningsförmågan nästan konstant (0,32 Wm-1K-1). Under fasövergången mellan 10°C och 40°C minskar värmeledningsförmågan med mer än 10% och även vid högre temperaturer - efter att signalen höjts igen - är värmeledningsförmågan betydligt lägre jämfört med området före fasövergången.
D) Termisk NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning, gasanalys
De temperaturberoende massförändringarna och signalerna från masspektrometern visas i figurerna 7 och 8. PTFE uppvisar ingen massförlust förrän den pyrolytiska nedbrytningen startar vid 587°C. Masspektrometern detekterade förändrade jonströmintensiteter för massnummer 31, 50, 69, 81, 100, 131, 150, 181, 200, 219 och 243. Dessa massnummer indikerar typiska fragment av PTFE. Polytetrafl uoroeten sönderdelas fullständigt; ingen restmassa finns kvar i atmosfären med inert gas.
Samtidigt med TGA-MS utfördes en FT-IR-mätning. En samling av alla detekterade IR-spektra visas som en 3-dimensionell kub i figur 9. Dessutom ingår även TGA-signalen vid kubens sidoyta.
Från denna 3D-plot extraherades enstaka spektra vid en temperatur nära de synliga topparnas maxima (figur 10) och jämfördes med biblioteksdata. HF och tetrafluoretylen identifierades.
Slutsats
Olika termofysikaliska och termomekaniska egenskaper testades för att få en bättre förståelse för PTFE. Solid-solid-övergången kunde identifieras med alla termiska analystekniker som användes. Endast dynamisk mekanisk analys kunde upptäcka övergångar relaterade till den amorfa fasen.